超声散斑数字干涉法测量水下物体表面的应变①

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1、第４０卷第１２期西南师范大学学报（自然科学版）２０１５年１２月Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．１２ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈｗｅｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｄｅｃ．２０１５ＤＯＩ：１０．１３７１８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｘｓｘｂ．２０１５．１２．０１６超声散斑数字干涉法测量水下物体表面的应变①郑伟花，罗强南阳师范学院土木建筑工程学院，河南南阳４７３０６１摘要：分析了超声散斑数字干涉法测量应变的原理，建立了水下测量系统，对涂敷了铝粉的不同粗糙度的试件表面进行了实验测量，

2、测量误差在６％以内．误差分析表明：试件中部测点的误差比两侧测点的误差小；试件表面粗糙度越大测量误差越小；试件表面应变越大测量误差越小．通过对误差作进一步实验分析，发现步进电机的误差较大，解决的方法是增加散斑颗粒的横向尺寸．针对信号不稳定，采用重复测量并在计算时取平均值的方法来消除误差．关键词：超声散斑；数字干涉；应变测量中图分类号：ＴＭ９３１文献标志码：Ａ文章编号：１０００－５４７１（２０１５）１２－００９３－０５当激光、超声波等相干波入射粗糙界面时，漫反射后相干波相互叠加，在界面反射空间会产生散斑．这种散斑现

3、象在很早就被人们所认识，一直被人们当作噪声来加以抑制．后来人们认识到超声散斑的分布［１］和变化包含了物体散射界面的变形以及运动信息，可以利用散斑的分布和变化来测量物面的变形，即散斑计量术．［２－３］散斑计量术一直停留在激光散斑测量方面，并且已经有大量的研究成果，主要集中在两个方面：［４］激光散斑干涉法测量和激光散斑相关法测量．伍小平等人在１９８０年提出了激光散斑场的运动规律之后，激光散斑测量技术一直都是学者们研究的热点．例如在１９８５年吴瑞琪等人利用激光散斑干涉法测量的人［５］［６］牙的弹性模量；同年，郑月明等

4、人用激光散斑相关法测量了物体表面的粗糙度；之后每年国内都有相关研究报告近百篇，直到近期依然是人们研究的热点，但是对超声散斑测量的研究一直都比较少，大多还［７－９］集中在超声成像中，自从一些学者对超声散斑场的统计特性和运动规律进行研究后，超声散斑测量技［１０］术也慢慢发展起来．例如朱鸿茂等人在２００４年提出应用超声散斑相关方法来测量物面的位移，２００８年［１１］提出应用超声散斑干涉法测量物体的位移．由于超声波能够在气体、液体、固体内传播，其测量具有穿透性，这比激光更有优势，所以它的测量前景比激光更广阔．随着计算机

5、技术的发展，原先超声散斑的采集和处理比较难的问题也逐渐被解决，因此超声散斑测量的研究更具有工程应用的意义．本文将在超声散斑干涉法测量物体位移的理论基础上做进一步的研究，对水下物体表面的应变进行测量，并进行实验验证．１测量原理１．１应变测量原理由连续介质力学原理可知平面上某点的位移可用临近点的位移及其增量来表示（｜Ａ′Ｂ′｜－｜ＡＢ｜）２２ε＝ｕ＋１ｕ＋ｖ（１）ｘ＝｜ＡＢ｜ｘ２［（）ｘ（）ｘ］①收稿日期：２０１４－１２－１７基金项目：国家自然科学基金项目（１１３０４１６８，１１２０２１０９）；南阳师范

6、学院专项项目（ＺＸ２００９００２）．作者简介：郑伟花（１９７８－），女，河南许昌人，副教授，博士，主要从事超声检测方面的研究．９４西南师范大学学报（自然科学版）ｈｔｔｐ：／／ｘｂｂｊｂ．ｓｗｕ．ｃｎ第４０卷式中Ａ点为应变测量点，Ｂ点为临近点，ｕ，ｖ分别为沿ｘ，ｙ方向的位移．如果ＡＢ与ｘ方向一致，式（１）中高阶小量被略去，只要测得Ａ点沿ｘ方向的位移变化就可获得此点的应变量，如果ＡＢ存在刚体位移，如图１所示，只要分别测得ＡＢ两端点的位移，ＡＢ取合适的长度可以算出ＡＢ的平均应变．式（１）可写为：ｕＢ－ｕＡεｘ＝（２）

7、｜ＡＢ｜１．２超声散斑干涉法测量位移位移测量系统如图２所示，发射超声Ｔ１和Ｔ２以入射角θ对称入射测量点Ｏ１，接收超声探头Ｒ，接收物面的超声信号．参考声波由软件在计算机内形成．将Ｔ１和Ｔ２沿着ｘ方向布置，试件两端布置张拉装置，由百分表测出张拉的长度．图１应变测量示意图图２位移测量系统在物面产生应变前，首先确定ＡＢ长度，并确认两端点的位置．根据超声散斑横向平均尺寸的大小来确定这两点的位置，应该满足ＡＢ长度超过平均横向尺寸，否则这两点接收的将是同一个散斑的信号，测出的位移也将是同一点的位移．采用超声散斑数字干涉方法来

8、测量ＡＢ两端点的面内位移值．具体过程如下：１）采集Ａ点的散斑信号．单独激励Ｔ１发射超声，并采集物面散斑信号存入数字存储示波器，经Ａ／Ｄ转换后输入计算机，在计算机内使参考声波和采集到的物面声波进行叠加运算，利用四步相移法，测出散斑信号的相位．单独激励Ｔ２，采用上述相同方法，测出散斑信号的相位．２）采集Ｂ点的散斑信号．步进电机带动信号接收探头，沿ｘ方向移动ＡＢ的距离，找到Ｂ点．单独激励Ｔ１